We report missense mutations in the mitochondrial fusion protein mitofusin 2 (MFN2) in seven large pedigrees affected with Charcot-Marie-Tooth neuropathy type 2A (CMT2A). Although a mutation in kinesin family member 1B-β (KIF1B) was associated with CMT2A in a single Japanese family, we found no mutations in KIF1B in these seven families. Because these families include all published pedigrees with CMT2A and are ethnically diverse, we conclude that the primary gene mutated in CMT2A is MFN2.

INTRODUCTION The brain is responsible for cognition, behavior, and much of what makes us uniquely human. The development of the brain is a highly complex process, and this process is reliant on precise regulation of molecular and cellular events grounded in the spatiotemporal regulation of the transcriptome. Disruption of this regulation can lead to neuropsychiatric disorders. RATIONALE The regulatory, epigenomic, and transcriptomic features of the human brain have not been comprehensively compiled across time, regions, or cell types. Understanding the etiology of neuropsychiatric disorders requires knowledge not just of endpoint differences between healthy and diseased brains but also of the developmental and cellular contexts in which these differences arise. Moreover, an emerging body of research indicates that many aspects of the development and physiology of the human brain are not well recapitulated in model organisms, and therefore it is necessary that neuropsychiatric disorders be understood in the broader context of the developing and adult human brain. RESULTS Here we describe the generation and analysis of a variety of genomic data modalities at the tissue and single-cell levels, including transcriptome, DNA methylation, and histone modifications across multiple brain regions ranging in age from embryonic development through adulthood. We observed a widespread transcriptomic transition beginning during late fetal development and consisting of sharply decreased regional differences. This reduction coincided with increases in the transcriptional signatures of mature neurons and the expression of genes associated with dendrite development, synapse development, and neuronal activity, all of which were temporally synchronous across neocortical areas, as well as myelination and oligodendrocytes, which were asynchronous. Moreover, genes including MEF2C , SATB2 , and TCF4 , with genetic associations to multiple brain-related traits and disorders, converged in a small number of modules exhibiting spatial or spatiotemporal specificity. CONCLUSION We generated and applied our dataset to document transcriptomic and epigenetic changes across human development and then related those changes to major neuropsychiatric disorders. These data allowed us to identify genes, cell types, gene coexpression modules, and spatiotemporal loci where disease risk might converge, demonstrating the utility of the dataset and providing new insights into human development and disease. Spatiotemporal dynamics of human brain development and neuropsychiatric risks. Human brain development begins during embryonic development and continues through adulthood (top). Integrating data modalities (bottom left) revealed age- and cell type–specific properties and global patterns of transcriptional dynamics, including a late fetal transition (bottom middle). We related the variation in gene expression (brown, high; purple, low) to regulatory elements in the fetal and adult brains, cell type–specific signatures, and genetic loci associated with neuropsychiatric disorders (bottom right; gray circles indicate enrichment for corresponding features among module genes). Relationships depicted in this panel do not correspond to specific observations. CBC, cerebellar cortex; STR, striatum; HIP, hippocampus; MD, mediodorsal nucleus of thalamus; AMY, amygdala.

Clinal patterns of autosomal genetic diversity within Europe have been interpreted in previous studies in terms of a Neolithic demic diffusion model for the spread of agriculture; in contrast, studies using mtDNA have traced many founding lineages to the Paleolithic and have not shown strongly clinal variation. We have used 11 human Y-chromosomal biallelic polymorphisms, defining 10 haplogroups, to analyze a sample of 3,616 Y chromosomes belonging to 47 European and circum-European populations. Patterns of geographic differentiation are highly nonrandom, and, when they are assessed using spatial autocorrelation analysis, they show significant clines for five of six haplogroups analyzed. Clines for two haplogroups, representing 45% of the chromosomes, are continentwide and consistent with the demic diffusion hypothesis. Clines for three other haplogroups each have different foci and are more regionally restricted and are likely to reflect distinct population movements, including one from north of the Black Sea. Principal-components analysis suggests that populations are related primarily on the basis of geography, rather than on the basis of linguistic affinity. This is confirmed in Mantel tests, which show a strong and highly significant partial correlation between genetics and geography but a low, nonsignificant partial correlation between genetics and language. Genetic-barrier analysis also indicates the primacy of geography in the shaping of patterns of variation. These patterns retain a strong signal of expansion from the Near East but also suggest that the demographic history of Europe has been complex and influenced by other major population movements, as well as by linguistic and geographic heterogeneities and the effects of drift. Clinal patterns of autosomal genetic diversity within Europe have been interpreted in previous studies in terms of a Neolithic demic diffusion model for the spread of agriculture; in contrast, studies using mtDNA have traced many founding lineages to the Paleolithic and have not shown strongly clinal variation. We have used 11 human Y-chromosomal biallelic polymorphisms, defining 10 haplogroups, to analyze a sample of 3,616 Y chromosomes belonging to 47 European and circum-European populations. Patterns of geographic differentiation are highly nonrandom, and, when they are assessed using spatial autocorrelation analysis, they show significant clines for five of six haplogroups analyzed. Clines for two haplogroups, representing 45% of the chromosomes, are continentwide and consistent with the demic diffusion hypothesis. Clines for three other haplogroups each have different foci and are more regionally restricted and are likely to reflect distinct population movements, including one from north of the Black Sea. Principal-components analysis suggests that populations are related primarily on the basis of geography, rather than on the basis of linguistic affinity. This is confirmed in Mantel tests, which show a strong and highly significant partial correlation between genetics and geography but a low, nonsignificant partial correlation between genetics and language. Genetic-barrier analysis also indicates the primacy of geography in the shaping of patterns of variation. These patterns retain a strong signal of expansion from the Near East but also suggest that the demographic history of Europe has been complex and influenced by other major population movements, as well as by linguistic and geographic heterogeneities and the effects of drift.

The epilepsies are a common, clinically heterogeneous group of disorders defined by recurrent unprovoked seizures1. Here we describe identification of the causative gene in autosomal-dominant partial epilepsy with auditory features (ADPEAF, MIM 600512), a rare form of idiopathic lateral temporal lobe epilepsy characterized by partial seizures with auditory disturbances2,3. We constructed a complete, 4.2-Mb physical map across the genetically implicated disease-gene region, identified 28 putative genes (Fig. 1) and resequenced all or part of 21 genes before identifying presumptive mutations in one copy of the leucine-rich, glioma-inactivated 1 gene (LGI1) in each of five families with ADPEAF. Previous studies have indicated that loss of both copies of LGI1 promotes glial tumor progression. We show that the expression pattern of mouse Lgi1 is predominantly neuronal and is consistent with the anatomic regions involved in temporal lobe epilepsy. Discovery of LGI1 as a cause of ADPEAF suggests new avenues for research on pathogenic mechanisms of idiopathic epilepsies.

Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) is the most common inherited neuromuscular disease and is characterized by considerable clinical and genetic heterogeneity. We previously reported a Russian family with autosomal dominant axonal CMT and assigned the locus underlying the disease (CMT2F; OMIM 606595) to chromosome 7q11-q21 (ref. 2). Here we report a missense mutation in the gene encoding 27-kDa small heat-shock protein B1 (HSPB1, also called HSP27) that segregates in the family with CMT2F. Screening for mutations in HSPB1 in 301 individuals with CMT and 115 individuals with distal hereditary motor neuropathies (distal HMNs) confirmed the previously observed mutation and identified four additional missense mutations. We observed the additional HSPB1 mutations in four families with distal HMN and in one individual with CMT neuropathy. Four mutations are located in the Hsp20-alpha-crystallin domain, and one mutation is in the C-terminal part of the HSP27 protein. Neuronal cells transfected with mutated HSPB1 were less viable than cells expressing the wild-type protein. Cotransfection of neurofilament light chain (NEFL) and mutant HSPB1 resulted in altered neurofilament assembly in cells devoid of cytoplasmic intermediate filaments.

Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease is the most common inherited motor and sensory neuropathy. The axonal form of the disease is designated as “CMT type 2” (CMT2). Although four loci known to be implicated in autosomal dominant CMT2 have been mapped thus far (on 1p35-p36, 3q13.1, 3q13-q22, and 7p14), no one causative gene is yet known. A large Russian family with CMT2 was found in the Mordovian Republic (Russia). Affected members had the typical CMT2 phenotype. Additionally, several patients suffered from hyperkeratosis, although the association, if any, between the two disorders is not clear. Linkage with the CMT loci already known (CMT1A, CMT1B, CMT2A, CMT2B, CMT2D, and a number of other CMT-related loci) was excluded. Genomewide screening pinpointed the disease locus in this family to chromosome 8p21, within a 16-cM interval between markers D8S136 and D8S1769. A maximum two-point LOD score of 5.93 was yielded by a microsatellite from the 5′ region of the neurofilament-light gene (NF-L). Neurofilament proteins play an important role in axonal structure and are implicated in several neuronal disorders. Screening of affected family members for mutations in the NF-L gene and in the tightly linked neurofilament-medium gene (NF-M) revealed the only DNA alteration linked with the disease: a A998C transversion in the first exon of NF-L, which converts a conserved Gln333 amino acid to proline. This alteration was not found in 180 normal chromosomes. Twenty unrelated CMT2 patients, as well as 26 others with an undetermined form of CMT, also were screened for mutations in NF-L, but no additional mutations were found. It is suggested that Gln333Pro represents a rare disease-causing mutation, which results in the CMT2 phenotype. Charcot-Marie-Tooth (CMT) disease is the most common inherited motor and sensory neuropathy. The axonal form of the disease is designated as “CMT type 2” (CMT2). Although four loci known to be implicated in autosomal dominant CMT2 have been mapped thus far (on 1p35-p36, 3q13.1, 3q13-q22, and 7p14), no one causative gene is yet known. A large Russian family with CMT2 was found in the Mordovian Republic (Russia). Affected members had the typical CMT2 phenotype. Additionally, several patients suffered from hyperkeratosis, although the association, if any, between the two disorders is not clear. Linkage with the CMT loci already known (CMT1A, CMT1B, CMT2A, CMT2B, CMT2D, and a number of other CMT-related loci) was excluded. Genomewide screening pinpointed the disease locus in this family to chromosome 8p21, within a 16-cM interval between markers D8S136 and D8S1769. A maximum two-point LOD score of 5.93 was yielded by a microsatellite from the 5′ region of the neurofilament-light gene (NF-L). Neurofilament proteins play an important role in axonal structure and are implicated in several neuronal disorders. Screening of affected family members for mutations in the NF-L gene and in the tightly linked neurofilament-medium gene (NF-M) revealed the only DNA alteration linked with the disease: a A998C transversion in the first exon of NF-L, which converts a conserved Gln333 amino acid to proline. This alteration was not found in 180 normal chromosomes. Twenty unrelated CMT2 patients, as well as 26 others with an undetermined form of CMT, also were screened for mutations in NF-L, but no additional mutations were found. It is suggested that Gln333Pro represents a rare disease-causing mutation, which results in the CMT2 phenotype.

A genome-wide association study was carried out in 1020 case subjects with recurrent early-onset major depressive disorder (MDD) (onset before age 31) and 1636 control subjects screened to exclude lifetime MDD. Subjects were genotyped with the Affymetrix 6.0 platform. After extensive quality control procedures, 671 424 autosomal single nucleotide polymorphisms (SNPs) and 25 068 X chromosome SNPs with minor allele frequency greater than 1% were available for analysis. An additional 1 892 186 HapMap II SNPs were analyzed based on imputed genotypic data. Single-SNP logistic regression trend tests were computed, with correction for ancestry-informative principal component scores. No genome-wide significant evidence for association was observed, assuming that nominal P<5 × 10−8 approximates a 5% genome-wide significance threshold. The strongest evidence for association was observed on chromosome 18q22.1 (rs17077540, P=1.83 × 10−7) in a region that has produced some evidence for linkage to bipolar-I or -II disorder in several studies, within an mRNA detected in human brain tissue (BC053410) and approximately 75 kb upstream of DSEL. Comparing these results with those of a meta-analysis of three MDD GWAS data sets reported in a companion article, we note that among the strongest signals observed in the GenRED sample, the meta-analysis provided the greatest support (although not at a genome-wide significant level) for association of MDD to SNPs within SP4, a brain-specific transcription factor. Larger samples will be required to confirm the hypothesis of association between MDD (and particularly the recurrent early-onset subtype) and common SNPs.

Abstract Short-read sequencing has enabled the de novo assembly of several individual human genomes, but with inherent limitations in characterizing repeat elements. Here we sequence a Chinese individual HX1 by single-molecule real-time (SMRT) long-read sequencing, construct a physical map by NanoChannel arrays and generate a de novo assembly of 2.93 Gb (contig N50: 8.3 Mb, scaffold N50: 22.0 Mb, including 39.3 Mb N-bases), together with 206 Mb of alternative haplotypes. The assembly fully or partially fills 274 (28.4%) N-gaps in the reference genome GRCh38. Comparison to GRCh38 reveals 12.8 Mb of HX1-specific sequences, including 4.1 Mb that are not present in previously reported Asian genomes. Furthermore, long-read sequencing of the transcriptome reveals novel spliced genes that are not annotated in GENCODE and are missed by short-read RNA-Seq. Our results imply that improved characterization of genome functional variation may require the use of a range of genomic technologies on diverse human populations.